Catching Stardust, nowa książka Natalie Starkey, bada nasze relacje z kometami i asteroidami.
(Zdjęcie: © Bloomsbury Sigma)
Natalie Starkey jest aktywnie zaangażowana w badania kosmiczne od ponad 10 lat. Brała udział w próbnych misjach kosmicznych, takich jak NASA Stardust i JAXA Hayabusa, i została zaproszona do współpracy w jednym z zespołów instrumentów w przełomowej misji ESA Rosetta.
Jej nowa książka, „Catching Stardust”, analizuje to, co odkrywamy na temat komet i asteroid - jak się o nich dowiadujemy i co mają do powiedzenia zakurzone, lodowe skały o pochodzeniu Układu Słonecznego. Przeczytaj pytania i odpowiedzi ze Starkey na temat jej nowej książki tutaj.
Poniżej znajduje się fragment rozdziału 3 „Łapanie gwiezdnego pyłu”. [Najlepsze bliskie spotkania rodzaju komety]
Komety i planetoidy na Ziemi
W ciągu ostatnich 50 lat oprzyrządowanie kosmiczne stawało się coraz bardziej zaawansowane, ponieważ ludzie poszukiwali różnych układów w Układzie Słonecznym w celu obrazowania, pomiaru i próbkowania. Ludzie z powodzeniem umieścili w pełni funkcjonalny łazik na planecie Mars, aby wędrować po jej powierzchni, wiercić i zbierać próbki w celu analizy ładunku instrumentów naukowych. Wyrafinowane laboratorium naukowe zostało również wysłane w kosmos w czasie dziesięcioletniej podróży, aby dogonić i wylądować na pędzącej komecie, aby przeprowadzić analizy jej skał, lodów i gazów. A to tylko niektóre z najnowszych wydarzeń eksploracji kosmosu. Jednak pomimo tych osiągnięć i niesamowitych osiągnięć, najlepsze i najłatwiej kontrolowane instrumenty naukowe istnieją na Ziemi. Problem polega na tym, że tych instrumentów Ziemi nie można bardzo łatwo wysłać w kosmos - są one zbyt ciężkie i wrażliwe, aby wystrzelić je na rakietę i potrzebują prawie idealnych warunków do działania z precyzją i dokładnością. Środowisko kosmiczne nie jest miejscem przyjaznym, ze znacznymi ekstremami temperatury i ciśnienia, warunkami, które nie są odpowiednie dla delikatnych, a czasem temperamentalnych instrumentów laboratoryjnych.
Powoduje to, że przynoszenie próbek skał kosmicznych z powrotem na Ziemię ma często wiele zalet w celu dokładnej, przemyślanej i precyzyjnej analizy, w przeciwieństwie do prób wprowadzenia na rynek zaawansowanych instrumentów laboratoryjnych. Jednak głównym problemem jest to, że zbieranie skał w kosmosie i bezpieczne sprowadzanie ich z powrotem na Ziemię również nie jest prostym zadaniem. W rzeczywistości próbny powrót z kosmosu został osiągnięty tylko kilka razy: z Księżyca z misjami Apollo i Luna w latach 70., z asteroidy Itokawa z misją Hayabusa i z komety 81P / Wild2 z misją Stardust. Chociaż setki kilogramów księżycowych skał zostały zwrócone na Ziemię, misje Hayabusa i Gwiezdny Pył zwróciły tylko niewielkie ilości próbki skały - a dokładnie fragmentów wielkości pyłu. Mimo to małe próbki są z pewnością lepsze niż żadne próbki, ponieważ nawet małe skały mogą przechowywać ogromną ilość informacji w swoich strukturach - tajemnice, które naukowcy mogą odkryć za pomocą swoich wysoce wyspecjalizowanych instrumentów naukowych na Ziemi. [Jak złapać asteroidę: objaśnienie misji NASA (Infografika)]
W szczególności misja Stardust znacznie przyczyniła się do pogłębienia naszej wiedzy na temat składu komet. Próbki pyłu komety, które zwrócił na Ziemię, będą zajmować naukowców przez wiele dziesięcioleci, pomimo ich ograniczonej masy. Dowiemy się więcej o tej misji i jej cennych próbkach, zebranych w rozdziale 7. Na szczęście istnieją przyszłe plany zbierania skał z kosmosu, niektóre misje są już w drodze, a inne czekają na finansowanie. Misje te obejmują wizyty w asteroidach, na Księżycu i Marsie, i choć wszystkie mogą być ryzykownymi przedsięwzięciami bez gwarancji, że osiągną swoje cele, dobrze jest wiedzieć, że istnieje nadzieja na powrót próbek z kosmosu do analizy na Ziemi w przyszłości.
Nadejście kosmicznych skał na Ziemię
Na szczęście okazuje się, że istnieje inny sposób na uzyskanie próbek skał kosmicznych i nawet nie wymaga opuszczenia bezpiecznych granic Ziemi. Jest tak, ponieważ skały kosmiczne naturalnie spadają na Ziemię jak meteoryty przez cały czas. W rzeczywistości co roku od 40 do 80 000 ton skał kosmicznych spada na naszą planetę. Te próbki wolnej przestrzeni można porównać do kosmicznych Jaj Kinder - są one wypełnione niebiańskimi nagrodami, informacjami o naszym Układzie Słonecznym. Meteoryty mogą obejmować próbki planetoid, komet i innych planet, z których większość nie została jeszcze pobrana przez statek kosmiczny.
Z tysięcy ton skał kosmicznych przybywających na Ziemię każdego roku większość jest dość niewielka, głównie wielkości pyłu, o czym dowiemy się więcej w rozdziale 4, ale niektóre pojedyncze skały mogą być dość duże. Niektóre z największych kamienistych meteorytów, które przybyły na Ziemię, miały masę do 60 ton, czyli mniej więcej tyle samo, co pięć piętrowych autobusów. Meteoryty mogą pochodzić z dowolnego miejsca w kosmosie, ale zwykle są to skały z asteroid, które najczęściej znajdują się na Ziemi jako kawałki wielkości kamyków, chociaż mogą się również pojawić kawałki komet i planet. Kawałki planetoid mogą skończyć pędzeniem w kierunku Ziemi po oderwaniu się od ich większej macierzystej asteroidy w kosmosie, często podczas zderzeń z innymi obiektami kosmicznymi, co może spowodować ich całkowite rozbicie lub zrzucenie małych kawałków z ich powierzchni. W kosmosie, kiedy te małe próbki asteroid oderwały się od skały macierzystej, nazywa się je meteroidami i mogą spędzić setki, tysiące, a może nawet miliony lat podróżując w przestrzeni kosmicznej, aż ostatecznie zderzą się z Księżycem, planetą lub Słońcem. Gdy skała wchodzi w atmosferę innej planety, staje się meteorytem i jeśli i kiedy te kawałki dotrą do powierzchni Ziemi lub powierzchni innej planety lub Księżyca, stają się meteorytami. Nie ma nic magicznego w nadchodzącej kosmicznej skale przekształcającej się w meteoryt, jest to po prostu nazwa, którą skała otrzymuje, gdy staje nieruchomo na powierzchni ciała, które spotyka. [Meteor Storms: How Supersized Wyświetla pracę „spadających gwiazd” (infografiki)]
Jeśli wszystkie te kosmiczne skały naturalnie przybywają na Ziemię za darmo, możesz się zastanawiać, dlaczego naukowcy tak bardzo starają się odwiedzić kosmos, aby w ogóle spróbować pobrać próbki. Pomimo faktu, że skały spadające na Ziemię próbkują znacznie szerszy zakres obiektów Układu Słonecznego, niż ludzie mogą odwiedzać przez wiele wcieleń, próbki te są tendencyjne w stosunku do tych, które mogą najlepiej przetrwać ostre skutki wejścia atmosferycznego. Problem powstaje z powodu ekstremalnych zmian temperatury i ciśnienia, jakich doświadcza skała lub jakikolwiek obiekt podczas atmosferycznego wejścia z kosmosu na Ziemię, a zmiany, które są wystarczająco duże, aby w wielu przypadkach całkowicie zatrzeć kamień.
Zmiany temperatury podczas wchodzenia do atmosfery wynikają bezpośrednio z dużej prędkości wejściowej obiektu, która może wynosić od około 10 km / s do 70 km / s (25 000 do 150 000 km / h). Problem z nadchodzącą skałą kosmiczną podczas podróży z tymi hipersonicznymi prędkościami polega na tym, że atmosfera nie może wystarczająco szybko zejść mu z drogi. Taki efekt jest nieobecny, gdy skała przemieszcza się w przestrzeni, po prostu dlatego, że przestrzeń jest próżnią, więc jest za mało cząsteczek, aby się ze sobą zderzyć. Skała przemieszczająca się w atmosferze ma działanie buforujące i ściskające na napotykane cząsteczki, powodując ich gromadzenie się i dysocjację na atomy składowe. Atomy te jonizują się, tworząc osłonę żarowej plazmy, która jest podgrzewana do ekstremalnie wysokich temperatur - do 20 000 stopni C (36 032 ° F) - i otacza kosmiczną skałę, powodując jej przegrzanie. W rezultacie skała wydaje się płonąć i świecić w atmosferze; co możemy nazwać kulą ognia lub spadającą gwiazdą, w zależności od jej wielkości.
Efekty tego procesu powodują zauważalną fizyczną zmianę w nadchodzącej skale, która w rzeczywistości ułatwia nam identyfikację, kiedy staje się meteorytem na powierzchni Ziemi. Oznacza to tworzenie się skorupy termojądrowej, która rozwija się, gdy skała penetruje dolną atmosferę i jest spowalniana i ogrzewana przez tarcie z powietrzem. Zewnętrzna część skały zaczyna się topić, a powstająca mieszanina cieczy i gazu zostaje zmieciona z tyłu meteorytu, zabierając ze sobą ciepło. Chociaż proces ten jest ciągły i oznacza, że ciepło nie może przeniknąć przez skałę (działając w ten sposób jak osłona termiczna), kiedy temperatura ostatecznie spadnie, stopiona „osłona termiczna” zestala się, gdy ostatnia pozostała ciecz ochładza się na powierzchni skały, tworząc stopienie Skorupa. Powstała w ten sposób ciemna, często błyszcząca skórka na meteorytach jest charakterystyczną cechą, którą często można wykorzystać do ich identyfikacji i odróżnienia od skał lądowych. Powstawanie skorupy termojądrowej chroni wewnętrzne części meteorytu przed najgorszymi skutkami gorąca, zachowując skład macierzystej asteroidy, komety lub planety, z której pochodzi. Jednak chociaż meteoryty bardzo przypominają swoich rodziców, nie są one dokładnie dopasowane. W procesie tworzenia skorupy termojądrowej skała traci część swoich bardziej lotnych składników, ponieważ są one odparowywane z ekstremalnymi zmianami temperatury występującymi w zewnętrznych warstwach skały. Jedynym sposobem na uzyskanie „idealnej” próbki byłoby pobranie jej bezpośrednio z obiektu kosmicznego i zwrócenie jej w statku kosmicznym. Ponieważ jednak meteoryty są bezpłatnymi próbkami z kosmosu i na pewno są bardziej obfite niż próbki zwrócone przez misje kosmiczne, oferują naukowcom doskonałą okazję do dowiedzenia się, z czego są zbudowane asteroidy, komety, a nawet inne planety. Z tego powodu są intensywnie badani na Ziemi. [6 ciekawych faktów na temat komety Pan-STARRS]
Pomimo tworzenia się skorupy termojądrowej, wpływ wejścia do atmosfery może być dość surowy i destrukcyjny. Skały o mniejszej sile ściskającej lub mniejszej kruszącej mają mniejsze szanse na przeżycie; jeśli obiekt przetrwa opóźnienie w atmosferze, wówczas jego wytrzymałość na ściskanie musi być większa niż maksymalne ciśnienie aerodynamiczne, którego doświadcza. Ciśnienie aerodynamiczne jest wprost proporcjonalne do lokalnej gęstości atmosfery, która zależy od planety, na którą napotyka obiekt. Na przykład Mars ma cieńszą atmosferę niż Ziemia, która nie działa tak, aby spowalniać przychodzące obiekty i wyjaśnia, dlaczego inżynierowie kosmiczni muszą bardzo uważnie myśleć o lądowaniu statku kosmicznego na powierzchni czerwonej planety, ponieważ ich układy opóźniające nie mogą być wstępnie przetestowane na Ziemi.
Wytrzymałość skały na ściskanie jest kontrolowana przez jej skład: udział minerałów w skale, metale, materiał węglowy, fazy lotne, ilość przestrzeni porów i to, jak dobrze materiały składowe są upakowane razem. Na przykład twarde skały kosmiczne, takie jak bogate w żelazo asteroidy, mają tendencję do przetrwania ekstremalnych zmian temperatury i ciśnienia, gdy pędzą z wielką prędkością przez ziemską atmosferę. Kamienne meteoryty są również dość wytrzymałe, nawet jeśli zawierają mało żelaza lub nie zawierają go wcale. Chociaż żelazo jest silne, same minerały skalne mogą być bardzo dobrze związane, tworząc również twardy kawałek skały. Meteoryty, które mają mniejsze szanse na przetrwanie w atmosferze w stanie nienaruszonym, to te, które zawierają wyższy procent substancji lotnych, przestrzeni porów, faz węglowych i tak zwanych uwodnionych minerałów - takich, które przystosowały wodę do swojej struktury wzrostu. Takie fazy występują w dużych ilościach w meteorytach zwanych chondrytami węglowymi, a także w kometach. Obiekty te są zatem bardziej wrażliwe na skutki ogrzewania i nie są w stanie wytrzymać sił aerodynamicznych, które napotykają podczas podróży przez ziemską atmosferę. W niektórych przypadkach są one niczym więcej niż luźno skonsolidowaną garstką puszystego śniegu z domieszką brudu. Nawet jeśli rzucisz śnieżną kulę wykonaną z takiej mieszanki materiałów, możesz oczekiwać, że rozpadnie się w powietrzu. To pokazuje, dlaczego duża próbka komety jest ogólnie uważana za mało prawdopodobną do przetrwania ostrych ciśnień i efektów cieplnych wchodzących w atmosferę bez stopienia, eksplozji lub rozpadu na bardzo małe kawałki. Jako taki, pomimo dużych zbiorów meteorytów na Ziemi, naukowcy wciąż nie są pewni, że znaleźli duży meteoryt konkretnie z komety z powodu niezwykle delikatnych struktur, które mają mieć. Wynikiem tego wszystkiego jest to, że niektóre skały kosmiczne są nadreprezentowane jako meteoryty na Ziemi po prostu dlatego, że ich składy lepiej znoszą wpływ wejścia atmosferycznego.
Fragment Catching Stardust: Comets, Asteroids and the Birth of the Solar System autorstwa Natalie Starkey. Prawa autorskie © Natalie Starkey 2018. Opublikowane przez Bloomsbury Sigma, odcisk Bloomsbury Publishing. Przedrukowano za zgodą.
